有機光伏電池在建筑光伏一體化中的應用及前景

朱朝鋒, 趙振民, 孫宇晴, 闞志鵬

(廣西大學 物理科學與工程技術學院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

2020年9月22日,習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上向全世界作出“中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”(以下簡稱“雙碳”)的重大宣示[1]。實現“雙碳”目標,不是別人讓我們做,而是我們自己必須要做。近年來,國家不斷推進落實“雙碳”目標,光伏發電等可再生能源處于大有可為的戰略機遇期[2]?！敖ㄖp碳”已是我國碳達峰的攻堅市場,打造低能耗綠色建筑,將是實現建筑“雙碳”的重要路徑[3]。

近年來,以“Y6”為代表的Y系列近紅外受體材料快速發展,將有機光伏電池的光電轉換效率提高至20%。實驗室中單結有機光伏電池的光電轉換效率已接近20%[4-8],疊層電池的光電轉換效率達到了20.6%[9],并朝著熱力學限制極限的單結效率25%[10]穩步邁進,這些突破性進展為有機光伏產業化應用帶來了曙光。其中,半透明有機光伏電池擁有建造舒適外觀的彩色半透明窗戶,實現建筑一體化的前景[11],被認為是生產清潔能源的有效解決方案。

有機光伏電池在未來的多功能自供電溫室[12]、建筑光伏一體化[13]、室內光伏[14-15]、便攜式發電和可穿戴設備[16]等方面的潛在應用更是引起了人們的廣泛關注,具有廣闊的應用和發展前景,有利于推進光伏發電多元布局和太陽能發電大規模開發與高質量發展。在應用前景上,半透明有機光伏電池的主要應用方向是與建筑物集成,兼具采光和發電功能的窗戶對于大眾頗具吸引力。薄膜狀的有機光伏模組結合半透明的形態,可以為光伏產業拓寬更多應用場景,如:有機光伏材料可以在透過可見光的同時利用不可見光發電,在建筑玻璃、新能源汽車玻璃等領域有巨大的應用前景;可以利用有機光伏電池具有的顏色可變化的特點,滿足人們對于視覺美感的追求。在高度城市化的時代背景下,城市建設迅猛發展,玻璃幕墻被大量地應用在辦公樓、酒店、大型公共建筑中,未來將具有不同顏色的彩色半透明有機太陽電池應用于高樓大廈的玻璃幕墻,是一個非常有潛力的應用方向。

1 光伏建筑一體化概念

打造低能耗綠色建筑最有效的方式就是安裝光伏,根據光伏方陣與建筑結合的方式不同[17-18]可分為兩大類:第一類是光伏方陣與建筑的結合(building attached photovoltaic, BAPV),這種方式是在已有建筑物的屋頂、墻體等結構上安裝光伏方陣,不會對原有建筑物的功能造成影響;第二類是光伏方陣與建筑的集成,即光伏建筑一體化(building integrated photovoltaic,簡稱BIPV),這種方式是以一種建筑材料的形式出現光伏方陣,是建筑的組成部分[17-19]。

BIPV是通過在建筑物的外表面安裝光伏方陣來提供電力,通過周圍環境、建筑功能以及氣候條件的變化對光伏方陣的安裝進行布局,將光伏發電方陣與建筑有效地集成在一起,是一種新型方法[1],因此,適合于BIPV的光伏組件不僅要求可以進行光伏發電,還應具備建筑物所需要的基本功能,使光伏組件與建筑之間能夠和諧統一。BIPV是應用太陽能發電的一種新概念、新方法[17-18],依據建設地點的地理、氣候條件、建筑功能、周圍環境等因素進行規劃設計,確定建筑布局、朝向、間距、群體組合和空間環境,將太陽能發電(光伏)產品集成到建筑上的技術,即將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力[17-18]。BIPV作為光伏建筑的一種新形式,對光伏組件的要求較高。光伏組件在滿足光伏發電功能要求的同時,還要兼顧建筑的基本功能要求[17-18],不影響光伏組件安裝部位的建筑功能,并與建筑協調一致,保持建筑統一和諧的外觀。

2 有機光伏在建筑光伏一體化中的優勢

相對于無機鈣鈦礦光伏電池以及傳統的硅太陽能電池,有機半導體材料具有較高的吸收系數以及卓越的延展性,使得制備出的有機光伏活性層超薄(厚度僅有100 nm),保證了其獨特的透明性、柔韌性,更易安裝與拆卸,保證了其多樣的應用場景。由C、H、N、F、O、S等常見的有機元素制成的有機光伏電池,其原材料便宜、豐富、易回收利用,成本較低,利于大面積制備。

在有機光伏電池中,活性層即吸光層起到吸收太陽光并將其轉化為電能的主要功能。由有機光伏給體材料和受體材料共混而成的活性層一直是人們研究的重點對象之一。有機光伏電池是以有機半導體材料為活性層,但有機半導體材料是通過范德華力結合,能帶較窄。由于相鄰分子的弱相互作用,因此有機半導體中較深的軌道彼此相對獨立,而不是形成連續的電子態密度[10]。此外,有機半導體中初級躍遷的非常大的振蕩強度使它們在相對窄的光譜帶上具有高度吸收性。有機半導體的吸收系數為105～106cm-1,比近紅外(near-infrared, NIR)中的直接間隙無機半導體高1～2個數量級[10],而且,有機半導體材料的能級是連續可調的,因此可以通過巧妙地設計有機光伏活性層中的分子結構,增強對NIR區域光吸收的同時減小對可見光的吸收,在不犧牲活性層膜厚的情況下實現了半透明,而這種特點對于實現建筑光伏一體化意義重大。例如:有機光伏玻璃可以用于建筑集成,有機光伏面板可用于農業溫室屋頂等。有機光伏材料可通過化學剪裁實現對其吸收光譜的精確調控,從而表現出可見光半透明的獨特性質,這一既透光又發電的特性將光伏技術的應用場景拓展到光伏建筑一體化與光伏農業大棚等新興領域,為光伏產業注入了全新的概念,高度契合建筑光伏一體化要求。半透明有機太陽能電池由于能夠建造出具有舒適外觀的彩色半透明窗戶、實現光伏建筑一體化的前景,被認為是生產清潔能源的有效解決方案[20](圖1)。

圖1 太陽輻射光譜和不同帶隙材料的吸收光譜以及共軛聚合物中給體和受體單元的軌道雜化示意圖[20]Fig.1 Solar spectrum, and normalized UV-vis-NIR absorption spectra of wide bandgap donor (WBG-D), low bandgap donor (LBG-D), and low bandgap acceptor (LBG-A); Orbital hybridization of donor and acceptor units in conjugated polymers

目前,半透明有機太陽能電池的發展仍面臨著一個核心挑戰:如何在保持良好的平均可見光透過率(average visible transmission, AVT)的同時實現較高的能量轉換效率。因此,亟需發展高效的光學調控手段以提升器件在非可見光區的光吸收,尤其對于目前仍未被高效利用的占太陽光能量接近50%的近紅外光。有機半導體材料區別于無機半導體材料的一個特征是分子之間沒有化學鍵,無機半導體主要是共價鍵結合的,導致電子在整個固體中的離域,因此,電荷在一定距離內相對不受阻礙地移動,導致高電荷遷移率和幾個電子伏特的寬能帶。寬的能帶導致材料在寬的能量范圍內不透明,為了提供足夠的透明度,通常需要減小光活性層的厚度來減少電池對太陽光的捕獲效率,降低光電轉換效率。為了實現高的光利用率,半透明有機太陽能電池需要盡可能地吸收近紫外和近紅外區域的光子,同時允許可見光透過。幾種可供選擇的活性層組合包括全近紅外策略、全近紫外策略和近紅外-近紫外組合策略[20]。近紅外-近紫外組合策略是指在半透明有機太陽能電池活性層中,給體材料選擇性地吸收近紫外光,而受體材料吸收近紅外光。由于超寬帶隙聚合物具有近紫外光吸收,可以避免與人眼響應光譜重疊,與近紅外受體匹配時可以保證較高的短路電流密度,因此是高效半透明有機太陽能電池的理想電子給體[20]。半透明有機光伏電池在可見光區域內存在2個透過窗口,分別位于波長400～470 nm(紫光至藍光)和波長550～650 nm(黃光至紅光),通過改變活性層中給體與受體質量比,可以調控這2個窗口的相對透過強度,從而制成具有視覺美感的彩色半透明有機太陽能電池。

3 有機光伏在建筑光伏一體化中的材料設計

光學吸收窗口是評價近紅外光材料的重要指標之一。美國加州大學洛杉磯分校楊陽教授等[21]將近紅外光材料(包含給體與受體)依照吸收窗口分為波長700～800、>800～900、>900～1 000 nm及大于1 000 nm 4個區域[21](圖2)。為了進一步加深對近紅外給體材料的基本理解,強調了分子內電荷轉移效應(intramolecular charge transfer, ICT)的強度與給受體單元推拉電子能力強弱以及其吸收窗口的關系[21]。比如:當較弱的給體單元(如BDT)與較弱受體單元(如TT)配對時,所得的給體聚合物材料的吸收邊位于為700～800 nm窗口。逐步增加給體單元的給電子能力并將其與較強的受體單元配對可以有效增強ICT效應并且使吸收窗口顯著紅移。較弱的給體單元與較強受體單元仍然可以產生具有中間區域吸收窗口的給體材料,如PDPP-DTS。吸收邊大于1 000 nm的給體材料是由一些最強的給體單元和受體單元組合實現的,包括DTT、DTP、DT和DPP。楊陽教授等[21]總結出了一些用于設計近紅外給體材料的給受體單元,從而揭示如何通過選擇給受體單元來促進ICT。這些研究將有助于實現對近紅外能量更加有效的利用。

圖2 給受體單元組合形成的具有不同吸收窗口的近紅外給體材料的示意圖[21]Fig.2 Selected electron-donating and electron-withdrawing groups with increasing strengths are paired to yield the corresponding chemical structures (left); Two representative donor molecules for each absorption window are shown on the right

給體材料在有機光伏的活性層中起到了重要的作用,影響著器件的光電性能。早期大多數的給體如P3HT,其吸收主要集中在可見光區域?？紤]到有近一半的太陽光譜的能量集中在紅外區域,因此通過材料設計實現紅外光的利用從而提高轉換效率具有重要的研究價值。近紅外的吸收主要通過調節電子給體單元(D)與電子受體單元(A)之間的分子內電荷轉移效應(ICT)來實現[21](圖3)。通過設計較強的給受體單元從而增強ICT效應可以有效拓寬給體材料的吸光范圍,有利于實現一些特殊的器件應用[21],例如:半透明有機光伏電池、疊層有機光伏電池和有機光電探測器。

圖3 給受體單元組合形成的具有不同吸收窗口的近紅外受體材料的示意圖[21]Fig.3 Relationship between intramolecular charge transfer (ICT) effects and acceptor absorption windows.Electron-donating donor units and electron-withdrawing acceptor units with increasing strengths are paired to yield acceptor molecules with enhancing ICT effects and redshifting absorption windows

受體材料的吸收窗口可以通過選擇不同強度的給受體單元來調節。根據其相應的“推拉”電子的能力將給受體單元分為弱、中、強3個等級[21]。例如,IDT和IDTT是弱給體單元,而PDTT和DTPC是強給體單元,具有DA′D復合結構的BZPT是中等強度的給體單元。對于受體材料而言,IC被定義為標準的中等強度的受體單元。通過氟化或者氯化,相應的IC衍生物將變成強受體單元。相反,甲基化的IC是弱受體單元。給受體單元的強弱順序為設計具有特定吸收窗口的非富勒烯受體材料提供了依據。目前,關于受體的研究主要集中于吸收波長小于1 000 nm的材料,其中所使用的受體單元主要為IC及其衍生物。因此,開發新型的受體單元以及吸收波長大于1 000 nm的受體分子具有重要的研究意義[21]。除此以外,探索A-D-A或A-DA′D-A以外的ICT模式可能有助于實現更強的ICT效應。

非富勒烯受體由于其獨特的優勢,例如吸收和能級的可調節性、較高的吸光系數、可控的結晶性和較小的能量損失,逐漸成為了有機光伏研究領域的中心。具有A-D-A結構的稠環電子受體(fused-ring electron acceptors, FREAs)材料是主要的高性能非富勒烯受體,其特征結構單元為給電子的中心稠核以及吸電子的兩側端基[21]?；诜歉焕障┦荏w的有機光伏器件展現出較高的器件效率和穩定性,其中,近紅外的非富勒烯受體材料能更加有效地利用低能量的光子,從而提升器件的效率。此外,非富勒烯受體的結構可調節性使其可以實現在近紅外區域的選擇性吸收,將有助于近紅外受體材料在半透明有機光伏電池以及疊層有機光伏電池領域的應用。為了將非富勒烯受體的吸收拓展到近紅外區域,研究者們將基于給體-受體相互作用的分子內電荷轉移效應(ICT)引入受體分子的結構中[21]。調節ICT效應是精確調節受體分子吸收范圍的有效策略。由中心稠核和兩側端基組成的A-D-A結構是最普遍的ICT模式。在中心的受體單元內插入另一個給體單元,形成具有多重ICT效應的A-DA′D-A結構可進一步實現對非富勒烯受體材料吸收和能級的精確調控[21]?；谶@2種ICT模式,研究者們利用不同的化學結構修飾和組合可以有效地調控ICT效應的強度。

非富勒受體的帶隙很小,其吸收可以擴展到波長900～1 000 nm處的近紅外區域,而且其吸收系數可以達到104～105cm-1,且隨著對非富勒烯小分子的設計,其吸收系數與吸光范圍有望進一步擴展。太陽光在穿過大氣層之前,到達大氣上界時太陽輻射能量的99%以上分布在波長150～4 000 nm的區間;大約50%的太陽輻射能量在可見光譜區(即波長400～780 nm),7%在紫外光譜區(即波長<400 nm),43%在紅外光譜區(即波長>780 nm);最大能量出現在波長約500 nm處,即藍綠光波段。相較于紫外可見區,紅外區占據了太陽光光譜能量的近1/2,且近紅外區的光子能量較低,更容易被有效的吸收利用,因此,通過有效地吸收利用太陽光譜中紅外區的能量,有機光伏器件的短路電流將大幅度提高,從而實現光電轉換效率的新突破。

4 有機光伏在建筑光伏一體化中的應用場景

太陽能光伏對于光伏建筑一體化的未來發展尤為重要,其具有建材化、構件化等特點,有利于光伏建筑一體化應用于多個場景[22]。近年來攜帶不同建材功能的太陽能光伏產品層出不窮,應用場景也多種多樣,例如:光伏屋面,顧名思義是在屋頂安裝太陽能光伏組件;相對應的安裝在建筑物墻面上的又稱為“光伏幕墻”;安裝光伏組件于附屬建筑結構上的又叫做建筑走廊,常會形成光伏遮陽簾[22];當光伏組件結合充電樁以及儲能設備時,又可以設計為“光伏車棚”;除此之外,光伏產品也可以用于公交站亭、農業大棚等場所,這些應用場景共同構成了光伏產品龐大的應用網[22]。

4.1 有機光伏屋面

BIPV中的“光伏屋面”,是直接將光伏組件做成光伏屋頂,代替原來的建筑屋頂,直接起到屋頂與光伏發電雙重作用,此處的光伏屋頂的光伏組件選材要具備建筑屋頂的質量指標[3]。但這樣完全失去了鋼結構的輔助,因此對光伏瓦或光伏磚本身的材料強度和性能提出了更高的要求[23],同時也要求光伏組件有更高的定制化特征[23]以適配不同的建筑需求。另外,想要實現光伏組件與建材的充分融合,勢必要使用價格更高的薄膜型光伏電池,成本較高,短時間內還難以向市場推廣。BIPV旨在通過更先進的技術,達成在建筑屬性、美學屬性、低碳能源功能屬性多維協同方面的創新與突破。例如特斯拉的光伏屋頂瓦片Solar Roof,直接將電池片作為瓦片安裝在屋頂上,外觀與傳統屋頂幾乎沒有區別。

屋面作為建筑物的頂部,是圍護結構的重要組成,主要是用來防御極端環境的影響,如雨、雪等[22]?？紤]到屋面材料作為圍護結構的重要的載體,當太陽能光伏組件應用于其中時,不僅要能夠有效吸收不可見太陽光并將太陽光轉化為電能儲存起來,還要求能夠有效地透射可見光。根據構成屋面材料的不同,主要可以分為金屬屋面以及混凝土屋面[22]。大部分居民、商業以及公共建筑都是以混凝土屋面為主,而金屬屋面主要存在于工廠廠房。在商業廠房中,用電量大并且電費價格昂貴,經濟性、安全性是業主首先要考慮到的問題,再結合商業廠房屋面資源較為豐富、屋面面積大的特點,因此,相對于傳統的工商業分布式光伏電站,BIPV更為適合[22]。

美國清潔千瓦有限責任公司的Eric O’Shaughnessy研究員在《Next Energy》上發表的評述文章中,針對不斷變化的政策和監管環境、市場對環境的反饋以及市場從早期試點到大規模推廣轉變的3個方面對光伏產業的發展進行了闡述,表明屋頂光伏產業的發展必將成為低碳減排和綠色能源的正解和福音[24]。屋頂光伏正越來越多地與電池、家庭能源管理系統、電動汽車和智能家居設備等互補技術相結合。目前,一種新興的方法是利用屋頂光伏系統提供電網服務,可以有效地在用戶和電網之間實現價值分配[24]。在歐洲,合法劃定的能源社區家庭可以集體采用屋頂光伏發電(圖4),這些社區的屋頂光伏用戶以自用電價出口光伏發電,而非采用者以低于電網電價的價格購買社區屋頂光伏發電,因此可使得用戶有收益。屋頂光伏可能正逐漸成為一種普通的消費產品,但它在清潔能源技術中依然占據著不可撼動的地位[24]。

圖4 屋頂光伏商業模式向綜合家庭能源解決方案發展的示意圖[24]Fig.4 Schematic depiction of the evolution of rooftop PV business models toward integrated home energy solutions

4.2 有機光伏幕墻

光伏屋頂對于現階段BIPV應用的重要性不言而喻,然而其只是將光伏組件安裝于建筑屋頂,相對而言,可以在整個建筑立體面安裝光伏組件的光伏幕墻可以提供更多的發電量(圖5),因此是重要的研究方向,特別是對于目前所追求的碳中和的目標意義重大,有著更為廣闊的發展前景[22]。

圖5 太陽能光伏展示館的示意圖[25]Fig.5 Schematic diagram of the solar photovoltaic exhibition hall

光伏幕墻是在建筑物的立體四周安裝上太陽能光伏組件,讓建筑物達到自主發電的目的,因此相比于只安裝于屋頂的光伏屋面所鋪蓋的面積更大。通過改變光伏組件,可以調節建筑物的花紋,使得其更加豐富多彩,可以適應于不同的建筑風格,是光伏建筑一體化更為完美的答案[22]。由于光伏幕墻的光伏組件安裝于建筑物墻壁,除了對其光電轉換能力有一定的需求外,也需要滿足墻壁的功能性,例如抗風、抗壓、防火等,因此,對光伏組件的性能要求更為嚴格[22]。晶體硅和薄膜太陽能組件是光伏幕墻常見的光伏組件,雖然目前薄膜類的光伏組件光電轉換效率偏低,但其顏色可調,色彩飽滿,并且具有優異的弱光性能,非常適用于不同美學需求的光伏幕墻。

4.3 有機光伏窗戶

有機光伏技術可以用于構建集成光伏(BIPV),從而成為一種新型分布式電源。建筑是最重要的能源消耗者,開發創新技術以提高建筑能效就顯得至關重要?？紤]到建筑中有超過千億平方米的玻璃窗戶,除了使用低反射率玻璃和薄膜等節能方法外,還可以利用半透明有機太陽能電池(ST-OSCs)來制造電力窗戶,從而達到集成光伏窗口的目的,這一方案非常值得探索。實現具有發電和節能效果的透明電力窗戶需要創新設計多功能半透明有機光伏電池,使其能夠精確利用太陽光譜的可見光到紅外光。事實上,半透明有機光伏電池衍生的電力窗戶應具有令人滿意的光電轉換效率、平均可見光透明度(AVT)、高逼真度的色彩表現,顯色指數(color rendering index, CRI)超過90[25-26]。此外,為了實現節能性,高效半透明有機光伏電池還應具有優異的紅外光輻射抑制[27]。然而,開發能夠同時解決這些多維參數的半透明有機光伏電池組件仍然存在很多挑戰,特別是對于大規模組件。

浙江大學李昌治教授研究團隊開發了一種高性能透明電力窗戶[28](圖6),其具有卓越的發電和節能特點。研究人員制備的半透明有機光伏電池同時獲得了32%的AVT、90%的CRI和11%以上的光電轉換效率,其具有透明電力窗戶的優異特性,很好地解決了傳統光伏面臨的復雜透光率和性能之間的權衡問題。更重要的是,研究人員還成功制備了大面積組件,透明器件的光電轉換效率為11.28%,創下了新記錄。此外,這些組件在晴天、陰天和雨天的連續室外操作中能夠正常工作。能源模型分析表明,如果在新建筑中安裝這種類型的透明電力窗戶,預計國內二氧化碳年排放量將減少1.3×109t,全球二氧化碳年排放量將減少6.7×109t[28]。該工作中所開發的基于半透明有機光伏電池的電力窗戶將在建筑中帶來非?？捎^的清潔能源收益。

圖6 透明電力窗戶[28]Fig.6 See-through power windows

窗戶是熱量增加或損失的主要來源,是建筑圍護結構中能源效率最低的部分,因此,人們開發了各種節能窗,大部分工作集中在光譜選擇性光學涂層、基于電致變色、光致變色和熱致變色現象的顯色涂層,以及近紫外太陽能電池與電致變色窗結合等。盡管它們減輕了室內制冷的負擔并降低了建筑能耗,但這些窗戶不可避免地將大部分紫外和近紅外波段的太陽能消散為廢熱,特別是在炎熱的季節,降低了建筑能源效率并加劇了城市熱島效應。透明光伏/光熱一體化窗戶,集成將紫外線轉化為電能的透明光伏和將近紅外線轉化為熱能的透明太陽能吸收器,結合通風系統以提取熱量供室內使用,在寒冷季節提供室內空間供暖或在炎熱季節減少室內冷負荷。與普通的透明光伏相比,太陽能窗戶提高太陽能收集效率,同時保持了相當高的可見光透射率。

香港科技大學姚舒懷和黃寶陵等研究者開發了由透明光伏和透明太陽能吸收器組成的全光譜利用的選擇性太陽能收集窗戶[29](圖7)。研究者證明了該窗戶的可見光透射率為42%,在通風溫度升高10 ℃時,太陽能-電能轉換效率為0.75%,太陽能-熱轉換效率為24%。與普通透明光伏相比,該窗戶將太陽能收集效率提高了3倍。另外,研究者進行了建筑能耗模擬,結果表明,相比于普通節能玻璃,該窗戶每年進一步節省能源消耗高達61.5%,在此基礎上,其發電量占年節能量的19.1%。此研究中的窗戶是首次報道的透明光伏/熱系統,在可加工性、成本效益和商業適應性方面具有顯著優勢,可能會開創節能建筑的新設計理念[29]。

圖7 選擇性太陽能收集窗戶的設想[29]Fig.7 Concept of the selective solar harvesting window

4.4 有機光伏農業

在全球人口不斷增長的情況下,有限農業土地上的可持續糧食和能源供應是一項重大挑戰。農業光伏溫室系統作為一項新技術,可以減少燃料和電網電力消耗,但光伏發電與光合作用存在沖突,因為兩者都使用太陽能作為輸入能源。有機光伏是獨一無二的,它具有波長選擇性吸收光譜的靈活性。因此,有機光伏與傳統覆膜溫室的搭配是必然的。

2021年3月17日,《Cell Reports Physical Science》在線發表了北卡羅萊納州立大學(NC State University,NCSU)的一項研究成果[30]表明,生菜可以在光伏電池吸收掉部分陽光波長的溫室中正常生長(圖8),證明在溫室中使用透光太陽能電池板發電的可行性。由于植物沒有利用陽光中的所有波長的光進行光合作用,研究人員探索了制造半透明有機太陽能電池的想法,該太陽能電池主要吸收植物不依賴的陽光波段,并將這些太陽能電池整合到溫室系統中。NCSU早期研究集中在太陽能溫室能產生多少能量上,根據溫室的設計和所處的位置,太陽能電池可以使許多溫室保持能源平衡,甚至使它們產生的能源超過其使用的能源?！拔覀儗Υ艘灿行┰S吃驚——植物生長和健康并沒有實際減少”,該研究的共同通信作者、NCSU植物生物學教授?？恕と铝_夫(Heike Sederoff)說,“這意味著將透明太陽能電池集成到溫室中的想法是可行的?！?/p>

農業光伏成為了一個新興領域,它的重點在于利用土地同時進行太陽能發電和農業種植。近日,美國加州大學洛杉磯分校楊陽教授、大連理工大學王敏煥副教授和土耳其馬爾馬拉大學Ilhan Yavuz教授等人聯合在期刊《Nature Sustainability》上報道了一種增強半透明有機太陽能電池的策略,可代替玻璃溫室[29]。研究人員在太陽能電池中添加了一層名為L-谷胱甘肽的天然化學物質[31],L-谷胱甘肽層阻止了太陽能電池中其他材料的氧化,使得有機光伏電池在連續使用1 008 h后仍能保持84%以上的效率,半透明有機光伏電池的功率轉換效率為13.5%,平均可見透過率為21.5%。

為了驗證在光伏/光合作用集成系統中種植各種植物的潛力,研究者們建造了帶有半透明有機光伏屋頂的溫室,并比較了多種常見作物在這些溫室中的生長條件[31]。在半透明有機光伏屋頂溫室中植物的發芽長度和成活率,與在具有透明玻璃或空間分段無機太陽能電池屋頂的溫室中生長的植物相當或更好。結果表明,半透明有機光伏在溫室屋頂中的整合不會損害植物的生長(通過競爭陽光吸收)。有趣的是,半透明的有機光伏屋頂可以保護植物免受有害的紫外線照射,并促進溫室中植物的生長。在這種情況下,光伏和光合作用系統可以通過集成相互受益[31]。溫室試驗結果表明,半透明的有機光伏屋頂有利于作物的成活率和生長,進一步說明本論文中的方法在應對糧食和能源挑戰方面的重要性。在這些發現之后,該團隊已經在加州大學洛杉磯分校建立了一個創業公司,旨在擴大有機太陽能電池的生產規模,供工業使用。研究人員說,他們希望在未來能將安裝有機光伏電池的環保溫室投入商業使用[31]。

5 建筑光伏一體化機遇與挑戰并存

從“30·60”及風光裝機目標,可以預測到新能源行業(例如風電、光伏等)將在未來迎來巨大的進步[28]。在成本持續下降、鼓勵政策以及隱含收益逐漸被認可的帶動下,BIPV市場規模到2030年或將達到4 000億元左右,累計滲透率將從2020年的0.1%提升至2030年的5.0%[28]。隨著BIPV市場的蓬勃發展,在面臨發展和機遇的同時,BIPV產業還存在眾多不足。

5.1 產業生態需成熟

目前,BIPV還處于新型產業,整個產業環境還不成熟,與其他的產業間的合作還很難開展,包括BIPV應用到市場后的后期的運營與相應的維護還存在很多的難點,其中的商業運營模式也需要不斷完善。根據技術擴散理論,新興技術的應用會經歷不同的發展階段。新技術是由早期用戶引進的,他們的個人興趣或預算促使他們承擔新興產品較高的原始成本[24]。大規模擴散給光伏產業帶來了新的不確定挑戰。一些市場趨勢已經反映出對大規模擴散的適應性。例如,在美國,發展替代性融資模式是向低收入家庭推廣光伏發電的關鍵因素[24]。

5.2 行業標準需健全

本質上來說,BIPV屬于跨領域產業,目前處于發展的初級階段。作為建筑材料,不僅要滿足市場上對于BIPV的光伏發電的需求,還應具有優異的機械性能、電氣性能、防火性能等來保證其可靠性[22]。目前國內還沒有對光伏性能與機械性能的結合制定相應的標準,因此仍需要對其繼續進行深度的研究。此外,BIPV作為一種新興行業也同樣缺少具體的行業標準,此標準應該包括:產品設計、工程建設、檢測驗收等,為后續光伏一體化的工程設計建設提供標準[22]。

5.3 政策支持需完善

自《2030年前碳達峰行動計劃》發布以來[32],根據國家部署,各省、自治區、直轄市政府結合各地的資源環境、產業布局、發展階段等,科學制定了碳達峰行動計劃。

《廣西壯族自治區碳達峰實施方案》中,工業領域碳達峰行動強調,工業是產生碳排放的主要領域之一,對全區整體實現碳達峰具有重要影響[33]。工業領域要加快推進綠色低碳轉型、優質發展,與全區同步推進:①推動工業領域綠色低碳發展;②推動鋼鐵行業碳達峰;③推動有色金屬行業碳達峰;④推動建材行業碳達峰;⑤推動石化化工行業碳達峰;⑥堅決遏制高耗能、高排放、低水平項目盲目發展。

為了更好地實現“30·60”目標,2021年下半年,我國出臺了多個政策來推動光伏建筑行業的發展,在《關于促進城鄉建設綠色發展的意見》中提出,智能光伏與綠色建筑的融合發展是至關重要的?！?030年前碳達峰行動方案》強調了要爭取在2025年有50%的新建公共、廠房建筑的屋頂配備有光伏組件;2022年印發的《建筑節能與可再生能源利用通用規范》《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》等政策中指出,建筑碳排放自2022年4月1日起強制計算,城鎮新建建筑中綠色建筑能耗和碳排放增長在2025年被有效控制,廣泛推廣光伏建筑一體化并加快優化建筑用能的結構。

在當前“碳達峰、碳中和”的大背景下,建筑領域的綠色低碳發展已成為實現“雙碳”目標的關鍵一環。在國家政策指引下,地方政府層面BIPV政策進入密集落地期,行業迎來快速發展。因此,政府應加大政策引導和支持力度,制定綠色建筑強制性政策和標準,積極引導產業轉型升級,釋放長期利好的信號,鼓勵企業投入資金研發,通過材料創新、技術創新、工藝創新降低BIPV成本,擴展應用場景。

5.4 增強國際合作

“碳達峰、碳中和”需要政府的政策制定和支持,也需要國際合作的助力。政府要出臺相關減排政策和措施,鼓勵企業和公眾參與到減排活動中,同時加強國際合作,共同應對氣候變化?！疤歼_峰、碳中和”需要社會各界的參與和認知。公眾對于氣候變化的認知和支持,以及企業和機構的積極參與,都對于“碳達峰、碳中和”的實現起到了關鍵作用。

雖然“碳達峰、碳中和”的時間節點因各國情況而異,但在全球范圍內,很多國家都已經宣布了“碳達峰、碳中和”的目標。面對氣候變化,不僅中國做出了積極應對的戰略部署,越來越多的國家政府也已經或正在將“碳中和”轉化為國家戰略,提出了無碳未來的愿景。

2020年9月16日,歐盟委員會主席烏爾蘇拉·馮德萊恩發表《盟情咨文》宣布歐盟的減排目標:2030年,歐盟的溫室氣體排放量將比1990年至少減少55%,到2050年,歐洲將成為世界第一個“碳中和”的大陸。實現“碳達峰、碳中和”是全球應對氣候變化的緊迫任務,各國需要根據自身國情制定相應的減排目標和路線圖,并加強國際合作,共同應對氣候變化挑戰。

6 結語

高效、半透明有機光伏的出現開辟了新的太陽能應用市場,而目前的硅基光伏技術還不能很好地滿足這些市場的需求。有機材料的選擇性吸收光譜使其在可見光半透明、近紅外吸收強的發電窗口中的應用具有吸引力。這種窗口需要一套適當的材料,用以同時提供高效率和可見光透明度,以及能將未被吸收的近紅外輻射反射回電池中進行二次反射的光學涂層,同時最大限度地將可見光耦合出來。光學涂層的設計還可以增強窗戶對紅外光的反射,從而減少室內制冷所需的能量,因此,裝有光學涂層高效、半透明有機光伏的窗戶有可能為建筑物提供大量能源,并通過阻擋紅外波長來減少建筑物的制冷負荷,從而抵消總體耗電量。相比于太陽能電池,有機發電窗的另一個優點是能夠在陰涼、弱光甚至室內照明條件下正常工作。未來將會看到更多的光伏幕墻、光伏屋頂、光伏窗戶、光伏農業大棚出現在身邊。隨著新能源的不斷發展和城市節能減排、綠色環保需求的日益增加,太陽能光伏建筑一體化越來越成為“超低能耗”和“凈零能耗”太陽能應用的新潮流。